Tecnologie di produzione

Riassunto di TDP, Prof. Romoli

Studente: Fabrizio di Pietrangelo

Introduzione

La tecnologia è la disciplina che studia i metodi e gli strumenti atti a trasformare le materie prime in prodotti finiti. La tecnologia della produzione si basa sulla conoscenza delle caratteristiche dei materiali diverse da quelle fisiche, chimiche e meccaniche; queste caratteristiche saranno contraddistinte come proprietà tecnologiche, ovvero caratteristiche che i materiali manifestano quando sono sottoposti ad un qualunque processo di trasformazione che ne permetta il loro impiego in forme più o meno definite.

Oggetto della tecnologia della produzione è quindi la fabbricazione dei pezzi che andranno a formare un complessivo. Per realizzare correttamente un pezzo sarà importante avere buone basi di disegno tecnico industriale per partire da un disegno di progetto e di componente. Il disegno di componente è da dividersi in due tipi:

• Disegno di prodotto finito: contiene quotatura e stato delle superfici, con le tolleranze richieste;
• Disegno di fabbricazione: contiene informazioni necessarie per i processi di fabbricazione ed è derivato dal primo.

Il corso si concentra sul disegno di fabbricazione per fare in modo di definire una serie di operazioni da effettuare per ottenere il pezzo finito; saranno molto importanti le tolleranze, in quanto precisano il margine di errore relativo ad una o più superfici concesso nella realizzazione del componente.

Le tolleranze sono di vario tipo: ci sono quelle generali (o dimensionali) che definiscono un livello medio di precisione da applicare per errori dimensionali; e poi ci sono le tolleranze superficiali. Le tolleranze dimensionali rendono accettabile una dimensione del pezzo se questo rientra in un range di valori accettabili che si discostano di poco dal valore nominale. Le tolleranze superficiali, invece, possono riferirsi a errori:

• Macrogeometrici per i quali si adottano le tolleranze di:
  • Forma: forma non corrispondente a quella disegnata
  • Posizione: posizione relativa della superficie rispetto ad altre non corrette
• Microgeometrici si riferiscono a errori più piccoli di 1/10 mm e sono caratterizzati tramite la rugosità.

Errori microgeometrici (rugosità)

Dobbiamo sapere che nella valutazione degli errori microgeometrici entrano in gioco varie definizioni di superfici: la rugosità di una superficie è detta anche tessitura primaria e compete ai difetti microstrutturali del materiale e all’interazione tra l’utensile e il materiale; le ondulazioni rappresentano il profilo tecnico e sono dette tessitura secondaria e dipendono dalle fluttuazioni dell’utensile e alle vibrazioni che si innescano durante la lavorazione della superficie.

Per stimare la rugosità si utilizza il rugosimetro. Questo strumento, utilizzando il pattino sulla sua punta, scorre in tiro (e non a spinta) sulle parti più alte della superficie, perciò utilizza come riferimento il profilo tecnico e rileva l’ondulazione. C’è da sapere che lo strumento effettua nuove registrazioni ogni volta che percorre una lunghezza di cut-off (in genere 0,8 mm); di queste lunghezze si scartano le due misurazioni effettuate all’inizio e alla fine dell’avvio dello strumento, questo perché il sistema, durante la sua accensione e il suo spegnimento, fa variare la velocità e va a falsare la misurazione.

Se faccio variare il valore per cui vale il cut-off ottengo una variazione della Ra. Sul pattino del rugosimetro è presente il palpatore, realizzato in punta di diamante o granati sinterizzati, ha l’apice di 2-3 µm di raggio di raccordo ed è riferito al pattino tramite una cerniera. Il pattino è costituito in modo che pochissima forza si scarichi tra palpatore e superficie in modo che il palpatore non risenta dell’attrito. Una volta rilevato il profilo, si procede con il calcolo della rugosità media aritmetica:

Si fissa un sistema di riferimento con una linea media (LM) = 0. Questa linea media è tale per cui ∫0 ||. Si ribaltano le valli e si calcola l’area totale: ∫0. Questa area delle valli sarà uguale all’area del rettangolo equivalente: Ra*L ||∫ ∑| |0 =0. Dunque si ottiene Ra = oppure Ra = (sistemi discreti). Un altro tipo di rugosità è quella totale R definita come l’escursione tra valle più bassa e cresta più alta. Grandi valori di rugosità rendono il materiale duro.

Metrologia

Abbiamo visto come misurare gli errori microgeometrici, ma ora è fondamentale capire come fare a valutare gli errori macrogeometrici di forma e di posizione. Ad esempio, un controllo dimensionale ci dice quanto l’oggetto in questione si discosta dalla quota nominale e se lo scostamento è tollerabile.

Partiamo con il definire alcuni parametri metrologici che uno strumento possiede:

• Sensibilità (o risoluzione): la più piccola variazione che lo strumento può misurare
• Precisione: grado di convergenza dei dati rilevati rispetto al valor medio della serie a cui appartengono
• Accuratezza: differenza tra valor medio della serie a cui appartengono i dati e valore ideale da realizzare
• Ripetibilità: grado di concordanza tra più serie di misure eseguite sul medesimo oggetto, quando le singole misurazioni sono effettuate lasciando immutate le condizioni di misura
• Riproducibilità: concordanza dei risultati della misura al variare di una o più condizioni (metodo di misurazione, operatore, strumento, luogo e condizioni ambientali, etc)

Adesso vediamo i principali strumenti di misura manuali; avremo il calibro e il micrometro che sono di misura assoluta (ovvero che forniscono una misura che non dipende da alcun campione); come campioni di misura abbiamo i blochetti Johansson; infine troviamo comparatore, alesamentro e calibro passa non passa come strumenti di misura relativa (ovvero che ci dicono come è il pezzo rispetto ad un campione di misura).

• Calibro: composto da una asta graduata in mm e in inch, sulla quale scorre un corsoio che porta incise le due scale relative ai due tipi di valori presenti sull’asta. Tali scale prendono il nome di nonio ed esse contengono sottomultipli del millimetro. Il corsoio e l’asta sono dotati di ganasce e becchi per misurare spessori, diametri interni ed esterni; all’estremità opposta il corsoio termina con una sottile asta per rilevare le profondità. Abbiamo diversi tipi di calibri a seconda di quante le divisioni sul nonio. C’è il calibro decimale (rileva 1/10 mm), ventesimale (rileva 1/20 mm) e cinquantesimale (rileva 1/50 mm).
• Truschino graduato: è un calibro speciale e viene utilizzato per identificare gli assi nei fori durante le lavorazioni alle macchine utensili.
• Micrometro: il calibro non può misurare variazioni piccole di dimensioni in quanto può misurare al massimo variazioni che stanno sui 20 µm, perciò si utilizza il micrometro (può misurare anche i centesimi di millimetro). È uno strumento formato da una incudine che chiude il pezzo da misurare su uno stativo mentre una vite, messa in rotazione da un tamburo, avanza fino a toccare il pezzo. Esistono diversi micrometri in funzione delle misure dei pezzi che possono misurare; questo si fa perché misurare pezzi grandi con micrometri grande andrebbe a danneggiare la vite e rendere inefficiente lo strumento.
• Blochetti Johansson (di riscontro piano paralleli): sono strumenti che servono ad azzerare gli strumenti comparativi. Troviamo 6 classi di precisione con errore dell’ordine di 0,1-0,2 µm. Hanno le superfici elettro-lucidate, perciò possono essere impegnati singolarmente o come combinazione di più blocchetti collegati tra loro, sono poco sensibili alla variazione di calore.
• Comparatore: utilizzato per calcolare lo spostamento di un oggetto rispetto ad un altro, oppure per la verifica della planarità o ortogonalità tra due superfici, o ancora per la verifica della cilindricità rispetto ad un asse. Ha una risoluzione pari al centesimo di millimetro. Viene azzerato ponendolo sui blocchetti Johansson (posti ad una dimensione pari a quella nomiale) e girando la ghiera si imposta lo zero facendolo coincidere con la lancetta.
• Alesametro: utilizzato per comparare i fori. In genere viene azzerato mediante anello di azzeramento: si incastra il tastatore nell’anello e si procede con il basculamento nel foro fino a quando non si rileva la quota minima. Una fatto ciò si muove la ghiera per far coincidere lo zero con la quota minima.
• Calibro passa non passa: esistono da interni o da esterni e servono a valutare il diametro di fori o il diametro di esterni. Hanno il difetto di essere molto costosi.

Cenni all struttura dei materiali metallici

Visto che in questo corso andremo a lavorare termicamente i materiali, occorre studiare un minimo ciò che accade all’interno della struttura che compone il materiale. C’è da sapere che nei solidi gli atomi non sono in movimento, ma è loro consentita solo la vibrazione derivante dal movimento degli elettroni. Dunque, è l’energia potenziale (forze di attrazione) a prendere il sopravvento e a formare il reticolo. Quando la temperatura cresce molto, gli elettroni di un corpo solido vibrano così forte da far ritrasformare l’energia potenziale in cinetica (il corpo passa allo stato liquido).

Le sostanze solide possono presentarsi allo stato:

• Amorfo: atomi e molecole occupano lo spazio in modo disordinato;
• Cristallino: atomi disposti ordinatamente e legati a determinate posizioni. Questo reticolo può avere diverse possibilità di simmetria. Considerando una porzione del reticolo cristallino, la più piccola possibile tale da mantenere ancora tutte le caratteristiche di simmetria del cristallo, otteniamo una cella elementare.

Ci sono diverse strutture cristalline:

• Materiale monocristallino: la cella unitaria si ripete in tutto il materiale (l’unico in natura è il diamante);
• Materiale policristallino: è formato da un insieme di regioni cristalline dette grani cristallini a diversa orientazione.

La formazione dei cristalli avviene durante il passaggio dei metalli dal passaggio da liquido a solido. Il fenomeno prende il nome di cristallizzazione e ha inizio spontaneo da più punti della massa liquida; in questi punti, che si dicono nuclei di cristallizzazione, gli atomi rallentano e si dispongono casualmente con una certa simmetria o addirittura secondo una forma prossima a quella di una cella elementare.

In seguito, i nuclei captano altri atomi ed i cristalli si accrescono ordinatamente fino a quando non interferiscono tra loro andando a formare i bordi. A questo punto la crescita si arresta. Ci sono casi in cui si ha scambio termico in una direzione preferenziale e i nuovi cristalli seguono nuove direzioni andando a creare una struttura dendritica. Questo può andare ad influenzare le proprietà meccaniche del materiale.

Il fatto che a volte i grani siano disposti in modo non ordinato, oppure che possano rimanere impurità bloccate nei bordi, fa si che si verifichi il fenomeno dell’anisotropia: una struttura reticolare, seppur perfetta, presenta proprietà fisiche e meccaniche diverse a seconda delle direzioni o dei piani di riferimento considerati. Queste direzioni dipendono dai piani a maggiore densità atomica visto che gli scorrimenti preferenziali avvengono proprio su questi piani. Questi piani possono variare per via di vari difetti che possono esserci nel reticolo.

• Abbiamo difetti puntuali in cui la struttura del reticolo differisce da quella teorica a causa di:
  • Presenza di atomi estranei (sostituzionali se si trovano in posizione normale di reticolo, interstiziali se sono interni al reticolo)
  • Disordine con il quale gli atomi si dispongono nel reticolo e possibile vacanza di atomi nel reticolo.
• A seguire ci sono anche difetti di linea: le dislocazioni. Le dislocazioni sono imperfezioni lineari formatesi durante la crescita dei cristalli o a seguito di sollecitazioni esterne. La presenza delle dislocazioni spiega come mai lo sforzo tangenziale per provocare lo scorrimento secondo i piani preferenziali risulta molto inferiore rispetto allo sforzo calcolato usando l’energia di legame.
• Infine, troviamo i difetti più complessi: quelli di superficie. In questi casi i grani cristallini crescono riproducendo la disposizione di celle elementari ma con orientamento differente tra loro. Ne consegue una struttura a mosaico che è intrinsecamente fonte di difetti in quanto non riproduce la continuità tra le celle elementari in grani adiacenti. Inoltre, bordi dei grani si arricchiscono di elementi di impurità segregati dal liquido durante la solidificazione in celle elementari. Si ha che il bordo del grano è quindi una zona critica dove si addensano dislocazioni ed elementi chimici diversi.

Quando le dislocazioni arrivano al bordo del grano si dice che il materiale ha subito snervamento; se continuo a eseguire uno sforzo sul materiale otterrò l’incrudimento di quest’ultimo con conseguente deformazione plastica permanente. Per abbassare il grado di incrudimento di un materiale lo si deve riscaldare al di sopra della temperatura critica di ricristallizzazione, temperatura per la quale si possono formare nuclei di ricristallizzazione (e quindi nuovi piani di scorrimento).

L’incrudimento aumenta la resistenza meccanica, la durezza, il limite elastico. Allo stesso tempo diminuisce la deformabilità (duttilità e malleabilità), la resilienza. I metalli puri non presentano i requisiti richiesti per l’impiego tecnico. Sarà necessario inserire nel metallo puro alti metalli per modificarne profondamente le proprietà. Si ottengono le leghe metalliche.

Allo stato solido le leghe presentano tre tipi di forme cristalline:

• Cristalli misti o soluzioni solide: il solvente è il metallo e i soluti sono gli elementi di alligazione. Le forze di attrazione sono le medesime tra atomi uguali e atomi diversi;
• Composti intermetallici: sono a concentrazione fissa tipo A_xB_y come formula chimica. Le forze di attrazione sono maggiori tra atomi diversi.
• Cristalli eutettici: sono miscugli di solidi a due fasi in cui le forze di attrazione sono minori tra atomi diversi.

Per capire che differenza c’è nell’ottenimento di una lega binaria rispetto alla solidificazione di un solo materiale puro si utilizzano le curve di raffreddamento. Queste curve esprimono la temperatura della lega in funzione del tempo. Raggiunta la temperatura di solidificazione si avrà un diverso andamento della curva in funzione della varianza del sistema calcolabile grazie alla regola delle fasi di Gibbs.

A questo punto si costruisce il diagramma di equilibrio: ha lo scopo di consentire la rapida individuazione delle fasi presenti in una lega in determinate condizioni di temperatura e di concentrazione. In questi diagrammi riusciamo ad individuare i punti critici di un composto formato da A e B in cui variano le loro concentrazioni. Si hanno tre diverse possibilità di miscibilità delle leghe, vediamole una alla volta:

1. Completa solubilità allo stato solido: quando i due componenti sono solubili allo strato solido e sono capaci di dar luogo alla formazione di cristalli misti, il diagramma di equilibrio è il seguente: la solidificazione ha inizio in t₂ con la formazione di cristalli misti di soluzione solida, tra t₂ e t₃ la temperatura non è costante e abbiamo la coesistenza di liquido e solido, a t₃ si ha la completa formazione del solido.
2. Insolubilità allo stato solido: i due componenti non sono solubili allo stato solido e cristallizzano ciascuno per conto proprio dando luogo a cristalli di corpi semplici. Raffreddando una lega di composizione X, la solidificazione avrà inizio nel punto C con la deposizione di un cristallo di A puro. Nel punto D avremo una certa quantità di A che si è depositata; il liquido rimanente risulta più povero di A e più ricco di B, tanto è vero che la sua concentrazione è rappresentata dal punto DL. Col proseguire del raffreddamento il liquido si concentra sempre di più di B, fino ad F dove il liquido ha concentrazione E e vi è la comparsa di una nuova fase, cioè di cristalli puri di B. La solidificazione prosegue a temperatura costante dando luogo ad un aggregato finissimo di cristalli di A e di B che prende il nome di eutettico; similmente il punto E nel diagramma si dice punto eutettico. La lega che ha il punto di fusione più basso è quella con la composizione eutettica. Un eutettico fonde a T costante e la sua curva di raffreddamento è uguale a quella di un metallo puro.
3. Scomparsa della solubilità: a volte i componenti di una lega binaria sono solubili allo stato solido e danno luogo a cristalli misti solo al di sopra di una certa temperatura mentre non sono solubili a temperature inferiori. Raffreddando una lega di composizione X si ha che la solidificazione ha inizio nel punto 1 e termina nel punto 2 sotto forma di cristalli misti. Nel punto 3 la soluzione solida inizia a decomporsi segregando il costituente A per cui nel punto 4 avremo un po’ di soluzione solida e un po’ di A segregato. Nel punto 5 si separa dalla soluzione anche il componente B con la formazione di una finissima...